基于序分量法的低压电网故障定位*

姬魁前，李佳粤，杞 姝，郭 皓，张 跃，李建纲

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明650012）

随着我国经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，电力用户对电量的需求在不断上升的同时，对供电可靠性要求也越来越高。由于历史原因，我国电力企业投资主要放在主网，导致配网较为脆弱，使得配网停电时间是主网的数倍。故障发生时，需快速定位故障点，解决故障问题后实现快速复电。故障定位尤为关键。

低压电网的故障定位可分为两大类：离线定位和在线定位。离线定位是指永久性接地故障发生时，先断开故障线路，再进行定位的方法；在线定位是指在故障线路带电运行状态下进行故障定位的方法[1-4]。

目前离线定位方法有直流法、行波法等。直流法向线路注入直流信号，通过对直流信号的检测来判断故障位置，该方法不受过渡电阻的影响，但需要登杆检测。行波法是确定行波传播速度后，通过测量行波的传播时间来确定故障位置。其原理是：当配电网发生高阻性故障时，对故障的配电网施加高电压信号，使故障点被击穿产生电弧。对线路首端的电压与流过电缆的电流进行采集后，分析并查找入射与反射行波到达测量端的时间间隔，就可以定位故障点。行波法往往受到过度电阻和分支数目的影响[5-6]。

常用的在线定位方法包括S注入法、阻抗法、零序电流法等。S注入法在系统内注入一个220Hz的信号，通过检测该信号是否存在来判断故障位置，该方法易受接地电阻和线路分布电容的影响。阻抗法的基本原理是利用端点测得的工频电压、电流，计算端点到故障点的电气距离，以此确定故障点。阻抗法又分为单端阻抗法和双端阻抗法，单端阻抗法的误差来源多，双端阻抗法在一定程度上能消除对端电源阻抗和过渡电阻的影响。阻抗法原理简单，但易受线路阻抗、负荷和电源参数影响，且配电线路分支众多，难以排除伪故障点，但国外已有成功应用[7]。

基于现有各电网系统累计故障数据，本文提出一种基于电流序分量匹配法的低压电网故障定位方法。该方法通过利用对称分量法计算获得故障后稳态分量，将计算后的负序和零序电流与已有故障进行匹配，从而实现故障定位。

1 电流序分量法实现故障定位法原理

1.1 电流序分量历史库构建

该方法基于单相故障后或两相接地故障后对系统内电流序分量进行匹配，用实际电流序分量与历史数据库中的电流序分量进行比较，从而找出故障点。因此首先建立历史线路故障库。

设历史暂态波形中电流相量为Ia、Ib、Ic，利用式（1）计算正序、负序、零序稳态分量的有效IIa、IIb、II0。

式中，a=∠120°。

将基于历史故障波形算得的电流序分量作为各分支线路的历史库。

1.2 故障位置函数

由于历史故障波形只能获得分支路某位置的故障信息，但故障可能发生在分支线上任何位置。因此需要构建涵盖全部线路的序分量电流与位置的曲线拟合函数，本文经多次仿真选择了二次函数作为拟合函数，具体如式（2）所示：

其中，I为序分量电流（即正序、负序、零序）有效值，x代表故障距离。利用历史故障波形求取获得拟合后的函数参数a、b、c后将其存入对应线路的历史库中。

1.3 故障位置求解

1.3.1 支路确定

将现有故障波形数据的电流各序分量有效值与支路首端值进行比对，比对公式如（3）所示。

这里，IIi表示节点i故障数据库中对应的首端电流有效值。因此，利用获得节点差值序列δ（i）。其中δ（i）中的最小值对应节点j为故障所在节点。可判断故障发生在[j-1，j]或者[j+1]。由于线路分支较多，可能出现多估计问题，为了不漏选故障，这里选取δ（i）中最小的2~3个节点作为备选故障集。

1.3.2 位置确定

在获得故障节点j后，即可找到对应的分支。在分支数据库中获得该分支的距离曲线函数f（x）。建立故障搜索目标函数Δ（x）=|f（x）-A|。以一定步长Δ（x）搜索使得目标函数最小的距离为x，即可获得故障距离估计值。

2 仿真验证

2.1 仿真对象

本文使用PSCAD进行建模。所选模型为云南某地区的10kV馈线，图1为该馈线拓扑图。

2.2 故障位置函数拟合

以图1的分支1、分支2、分支3为例，其拟合效果如图2、图3和图4所示。对应的负序电流与距离的拟合函数分别为：

图1 仿真拓扑图

图2 分支1拟合结果

图3 分支2拟合结果

图4 分支3拟合结果

2.3 仿真分析

根据低压电网的数据统计，在所有的短路故障事件中约有80%的故障事件是由于单相接地短路故障引起。因此以单相故障为例选择零序电流开展仿真验证。

案例1：对节点5-6中发生故障仿真。

在节点5-6之间线路发生故障后，故障节点定位误差值如图5所示。

图5 故障节点定位

从图5可看出，所以节点进行初步筛选时，匹配结果在0-10节点区间内为最优结果，因此缩小搜寻节点范围，在节点5-6之间线路最有可能发生故障，如图6所示，运用计算得出零序电流进行第二步匹配。

图6 故障节点误差最小定位

零序电流拟合曲线匹配结果为故障点距支路首端0.593km，实际故障点距支路首端0.600km，误差为7m，因此测试结果与系统中实际故障位置符合，具体如图7所示。

图7 故障位置匹配

案例2：对节点13-14中发生故障仿真。

在节点13-14之间线路发生故障后，故障节点定位误差值如图8所示，在节点13-14之间线路都最有可能发生故障，采取第二步拟合曲线的匹配。

图8 故障节点定位

假设故障点为13-14之间线路，进行匹配结果如图9所示。

图9 故障位置匹配

零序电流拟合曲线匹配结果为故障点距支路首端0.339km，实际故障点距支路首端0.325km，误差为14m，因此测试结果与系统中实际故障位置符合。综合统计下来，定位绝对误差不超过50m。

3 结束语

本文以已有故障波形数据为基础，利用序分量法建立线路故障信息库，并利用电流序分量建立距离和电流的拟合函数；当故障发生时，首先比对故障电流与各分支路首端的电流，选择误差最小的节点利用拟合函数求取具体的位置。仿真结果表明，本文所提方法的定位绝对误差不超过50m。